电流断续型直流电子负载的设计与实现

论文摘要

在科技迅速发展的当今社会,直流电源广泛地应用于人们生产生活的各个领域中。能馈型直流电子负载是用于对直流电源进行出厂测试的电力电子装置,可在对实际负载进行模拟的同时将测试所用的电能回馈至电网中。目前国内外学者对能馈型直流电子负载的研究多是以电源的老化测试为背景,多以改进并网逆变的控制方式或是进行数字化控制研究等为研究内容。然而直流电源的输出电压普遍较低且光伏电池等新能源产品的输出受自然能变化的影响而波动,为保证并网的实现需要控制直流母线电压稳定在400V左右,普通的升压变换器无法满足要求。此外,当对电源进行一些特殊测试时,系统的输入能量可能出现变化率很大或断续等情况,若在此时进行并网会对电网造成冲击等不良影响。本文研究的电子负载系统可以很好的解决以上几种问题,主要研究内容及成果如下:本文首先设计了可以对各种直流电源进行常规测试的能馈型直流电子负载系统,实现对各种真实负载的精确模拟以及将测试所用电能以单位功率因数回馈至电网中。其中,为了在电源输出电压较低或波动的测试情况下保证并网馈能的顺利进行,在系统的负载模拟部分采用了具有高升压比的单管级联型Boost变换器。电子负载系统为非线性系统,本文运用状态空间平均法建立了系统的线性化动态模型,进而采用频域法对系统的控制器进行了设计。其次,为了缓冲系统在输入能量断续等情况下并网时对电网的冲击,提出了在能馈型电子负载系统中加入储能环节的新思路,系统的储能环节由超级电容器组和双向DC/DC变换器构成,根据系统储能的需要对超级电容器的型号、参数及串并联的方式进行了选择,相应的确定了DC/DC变换器的主电路参数及在系统不同输入状态下的工作模式,同样在建模后应用频域法对储能环节的控制器进行了设计。最后,在MATLAB/Simulink环境下搭建了系统的仿真模型,对系统的各种工作情况进行了仿真分析,并在试验平台上实现了能馈型直流电子负载的部分功能。实验结果与仿真结果基本相符,验证了理论分析及设计的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 直流电子负载的研究现状
• 1.3 高升压比DC/DC 变换器综述
• 1.4 超级电容储能系统综述
• 1.4.1 超级电容的储能原理及应用领域
• 1.4.2 储能系统中的功率变换器
• 1.5 课题主要研究内容
• 第2章 系统总体方案的设计
• 2.1 加入储能环节前能馈型直流电子负载系统的设计
• 2.1.1 负载模拟部分拓扑结构及控制方案设计
• 2.1.2 并网逆变部分拓扑结构及控制方案设计
• 2.2 储能环节的设计
• 2.2.1 储能环节中超级电容器组设计方案
• 2.2.2 储能环节中双向DC/DC 变换器工作模式选择
• 2.3 加入储能环节后能馈型直流电子负载系统的设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 高升压比DC/DC 变换器分析
• 3.1 传统Boost 变换器的局限性
• 3.2 高升压比 DC/DC 变换器的选取
• 3.2.1 高升压比变换器拓扑及升压比
• 3.2.2 仿真分析及验证
• 3.3 单管级联型Boost 变换器建模分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 加入储能环节前系统的控制与分析
• 4.1 负载模拟部分的控制器设计
• 4.2 并网逆变部分的控制器设计
• 4.2.1 建模分析及器件选择
• 4.2.2 控制器的设计
• 4.3 仿真分析
• 4.3.1 恒定电流模式分析
• 4.3.2 恒定阻抗模式分析
• 4.3.3 动态负载模式分析
• 4.3.4 输入电压突变或波动时负载的模拟
• 4.3.5 特殊波形的模拟
• 4.4 实验结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 加入储能环节后系统的的控制与分析
• 5.1 储能环节中超级电容器组的参数设计
• 5.2 双向DC/DC 变换器的设计及控制
• 5.2.1 双向DC/DC 变换器主电路功率器件的设计
• 5.2.2 双向DC/DC 变换器的闭环控制
• 5.3 加入储能环节后总体系统的仿真分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢